第5章彩色数字图像基础 5.3图像的三个基本属性 箱述一幅图像需要使用图像的属性。图像的属性包含分辨率、像素深度、真伪伤彩色、 的表示法和种类等。本节介绍前面三个特性。 5.3.1分辨率 我们经常遇到的分辨率有两种:显示分辨率和图像分辨率。 1.显示分辨率 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如,显示分辨率为640×480表示显 示屏分成480行,每行显示640个像素,整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的 像素越多,说明显示设备的分辨率越高,显示的图像质量也就越高。除象手提式那样的计算 机用液晶显示LCD( liquid crystal display)外,一般都采用CRT显示,它类似于彩色电视机 中的CRT。显示屏上的每个彩色像点由代表R,G,B三种模拟信号的相对强度决定,这些彩色 像点就构成一幅彩色图像 计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管玻璃面上的孔眼掩模和 所涂的荧光物不同。孔眼之间的距离称为点距( dot pitch)。因此常用点距来衡量一个显示 屏的分辨率。电视机用的CRT的平均分辨率为0.76mm,而标准SVGA显示器的分辨率为0.28mm 孔眼越小,分辨率就越高,这就需要更小更精细的荧光点。这也就是为什么同样尺寸的计算 机显示器比电视机的价格贵得多的原因 早期用的计算机显示器的分辨率是0.41mm,随着技术的进步,分辨率由0.41→0.38→ 0.35→0.31→0.28直到0.26m以下。显示器的价格主要集中体现在分辨率上,因此在购 买显示器时应在价格和性能上综合考虑 2.图像分辨率 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图,如果组成 该图的图像像素数目越多,则说明图像的分辨率越高,看起来就越逼真。相反,图像显得越 粗糙 在用扫描仪扫描彩色图像时,通常要指定图像的分辨率,用每英寸多少点( dots per inch,DPⅠ)表示。如果用300DPI来扫描一幅8″×10″的彩色图像,就得到一幅2400×3000 个像素的图像。分辨率越高,像素就越多 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数 目,而显示分辨率是确定显示图像的区域大小。如果显示屏的分辨率为640×480,那末一幅 320×240的图像只占显示屏的1/4:相反,2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示 个完整的画面 这里顺便说一下,在显示一幅图像时,有可能会出现图像的宽高比( aspect radio)与显 示屏上显示出的图像的宽高比不一致这种现象。这是由于显示设备中定义的宽高比与图像的 宽高比不一致造成的。例如一幅200×200像素的方形图,有可能在显示设备上显示的图不再 是方形图,而变成了矩形图。这种现象在20世纪80年代的显示设备上经常遇到。 5.3.2像素深度 像素深度是指存储每个像素所用的位数,它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定 彩色图像的每个像素可能有的颜色数,或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。例 如,一幅彩色图像的每个像素用R,G,B三个分量表示,若每个分量用8位,那末一个像素共 用24位表示,就说像素的深度为24,每个像素可以是2=16777216种颜色中的一种。在这 个意义上,往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多,它能表达的颜色数 目就越多,而它的深度就越深 虽然像素深度或图像深度可以很深,但各种VGA的颜色深度却受到限制。例如,标准VGA 支持4位16种颜色的彩色图像,多媒体应用中推荐至少用8位256种颜色。由于设备的限制, 加上人眼分辨率的限制,一般情况下,不一定要追求特别深的像素深度。此外,像素深度越 深,所占用的存储空间越大。相反,如果像素深度太浅,那也影响图像的质量,图像看起来 让人觉得很粗糙和很不自然
第5章 彩色数字图像基础 6 5.3 图像的三个基本属性 描述一幅图像需要使用图像的属性。图像的属性包含分辨率、像素深度、真/伪彩色、 图像的表示法和种类等。本节介绍前面三个特性。 5.3.1 分辨率 我们经常遇到的分辨率有两种：显示分辨率和图像分辨率。 1. 显示分辨率 显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显 示屏分成480行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的 像素越多，说明显示设备的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。除象手提式那样的计算 机用液晶显示LCD(liquid crystal display)外，一般都采用CRT显示，它类似于彩色电视机 中的CRT。显示屏上的每个彩色像点由代表R，G，B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色 像点就构成一幅彩色图像。 计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管玻璃面上的孔眼掩模和 所涂的荧光物不同。孔眼之间的距离称为点距(dot pitch)。因此常用点距来衡量一个显示 屏的分辨率。电视机用的CRT的平均分辨率为0.76 mm，而标准SVGA显示器的分辨率为0.28 mm。 孔眼越小，分辨率就越高，这就需要更小更精细的荧光点。这也就是为什么同样尺寸的计算 机显示器比电视机的价格贵得多的原因。 早期用的计算机显示器的分辨率是0.41 mm，随着技术的进步，分辨率由0.41→0.38→ 0.35→0.31→0.28一直到0.26 mm以下。显示器的价格主要集中体现在分辨率上，因此在购 买显示器时应在价格和性能上综合考虑。 2. 图像分辨率 图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成 该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越 粗糙。 在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(dots per inch，DPI)表示。如果用300 DPI来扫描一幅8″×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000 个像素的图像。分辨率越高，像素就越多。 图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数 目，而显示分辨率是确定显示图像的区域大小。如果显示屏的分辨率为640×480，那末一幅 320×240的图像只占显示屏的1/4；相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一 个完整的画面。 这里顺便说一下，在显示一幅图像时，有可能会出现图像的宽高比(aspect radio)与显 示屏上显示出的图像的宽高比不一致这种现象。这是由于显示设备中定义的宽高比与图像的 宽高比不一致造成的。例如一幅200×200像素的方形图，有可能在显示设备上显示的图不再 是方形图，而变成了矩形图。这种现象在20世纪80年代的显示设备上经常遇到。 5.3.2 像素深度 像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定 彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。例 如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那末一个像素共 用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素可以是2 24=16 777 216种颜色中的一种。在这 个意义上，往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数 目就越多，而它的深度就越深。 虽然像素深度或图像深度可以很深，但各种VGA的颜色深度却受到限制。例如，标准VGA 支持4位16种颜色的彩色图像，多媒体应用中推荐至少用8位256种颜色。由于设备的限制， 加上人眼分辨率的限制，一般情况下，不一定要追求特别深的像素深度。此外，像素深度越 深，所占用的存储空间越大。相反，如果像素深度太浅，那也影响图像的质量，图像看起来 让人觉得很粗糙和很不自然
第5章彩色数字图像基础 在用二进制数表示彩色图像的像素时,除R,G,B分量用固定位数表示外,往往还增加 位或几位作为属性( Attribute)位。例如,RGB5:5:5表示一个像素时,用2个字节共16位 表示,其中R,G,B各占5位,剩下一位作为属性位。在这种情况下,像素深度为16位,而图 像深度为15位。 属性位用来指定该像素应具有的性质。例如在CD-I系统中,用RGB5:5:5表示的像素 共16位,其最高位(bs)用作属性位,并把它称为透明( Transparency)位,记为T。T的含义 以这样来理解:假如显示屏上已经有一幅图存在,当这幅图或者这幅图的一部分要重叠在上 面时,T位就用来控制原图是否能看得见。例如定义T=1,原图完全看不见:T=0,原图能完 全看见。 在用32位表示一个像素时,若R,G,B分别用8位表示,剩下的8位常称为a通道( alpha channel)位,或称为覆盖 (overlay)位、中断位或属性位。它的用法可用一个预乘a通道 ( premultiplied alpha)的例子说明。假如一个像素(A,R,G,B的四个分量都用规一化的 数值表示,(A,R,G,B为(1,1,0,0)时显示红色。当像素为(0.5,1,0,0)时,预乘的结 果就变成(0.5,0.5,0,0),这表示原来该像素显示的红色的强度为1,而现在显示的红色的强 度降了一半。 用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。例如在一幅彩色图像上叠加文字说 明,而又不想让文字把图覆盖掉,就可以用这种办法来定义像素,而该像素显示的颜色又有 人把它称为混合色( key color)。在图像产品生产中,也往往把数字电视图像和计算机生产 的图像混合在一起,这种技术称为视图混合( video keying)技术,它也采用a通道 5.3.3真彩色、伪彩色与直接色 搞清真彩色、伪彩色与直接色的含义,对于编写图像显示程序、理解图像文件的存储格 式有直接的指导意义,也不会对出现诸如这样的现象感到困惑:本来是用真彩色表示的图像 但在VGA显示器上显示的图像颜色却不是原来图像的颜色 1.真彩色( true color) 真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中,有R,G,B三个基色分量,每个基色 分量直接决定显示设备的基色强度,这样产生的彩色称为真彩色。例如用RGB5:5:5表示 的彩色图像,R,G,B各用5位,用R,G,B分量大小的值直接确定三个基色的强度,这样得 到的彩色是真实的原图彩色 如果用RGB8:8:8方式表示一幅彩色图像,就是R,G,B都用8位来表示,每个基色分量 占一个字节,共3个字节,每个像素的颜色就是由这3个字节中的数值直接决定,可生成的颜 色数就是24=16777216种。用3个字节表示的真彩色图像所需要的存储空间很大,而人的 眼睛是很难分辨出这么多种颜色的,因此在许多场合往往用RGB5:5:5来表示,每个彩色分 量占5个位,再加1位显示属性控制位共2个字节,生成的真颜色数目为25=32K。 在许多场合,真彩色图通常是指RGB8:8:8,即图像的颜色数等于22,也常称为全彩色 ( full color)图像。但在显示器上显示的颜色就不一定是真彩色,要得到真彩色图像需要有 真彩色显示适配器,目前在PC上用的VGA适配器是很难得到真彩色图像的。 2.伪彩色( pseudo color) 伪彩色图像的含义是,每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定,而是把像 素值当作彩色査找表( color1ook- up table,CLUT)的表项入口地址,去查找一个显示图像 时使用的R,G,B值,用查找出的R,G,B值产生的彩色称为伪彩色 彩色查找表CLUT是一个事先做好的表,表项入口地址也称为索引号,如图图6-08(c)所 示。例如256种颜色的查找表,0号索引对应黑色,,255号索引对应白色。彩色图像本 身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系,这个关系可以使用 Windows95/98定 义的变换关系,也可以使用你自己定义的变换关系。使用查找得到的数值显示的彩色是真的, 但不是图像本身真正的颜色,它没有完全反映原图的彩色
第5章 彩色数字图像基础 7 在用二进制数表示彩色图像的像素时，除R，G，B分量用固定位数表示外，往往还增加1 位或几位作为属性(Attribute)位。例如，RGB 5∶5∶5表示一个像素时，用2个字节共16位 表示，其中R，G，B各占5位，剩下一位作为属性位。在这种情况下，像素深度为16位，而图 像深度为15位。 属性位用来指定该像素应具有的性质。例如在CD-I系统中，用RGB 5∶5∶5表示的像素 共16位，其最高位(b15)用作属性位，并把它称为透明(Transparency)位，记为T。T的含义可 以这样来理解：假如显示屏上已经有一幅图存在，当这幅图或者这幅图的一部分要重叠在上 面时，T位就用来控制原图是否能看得见。例如定义T=1，原图完全看不见；T=0，原图能完 全看见。 在用32位表示一个像素时，若R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常称为α通道(alpha channel)位，或称为覆盖(overlay)位、中断位或属性位。它的用法可用一个预乘α通道 (premultiplied alpha)的例子说明。假如一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的 数值表示，(A，R，G，B)为(1，1，0，0)时显示红色。当像素为(0.5,1,0,0)时，预乘的结 果就变成(0.5,0.5,0,0)，这表示原来该像素显示的红色的强度为1，而现在显示的红色的强 度降了一半。 用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。例如在一幅彩色图像上叠加文字说 明，而又不想让文字把图覆盖掉，就可以用这种办法来定义像素，而该像素显示的颜色又有 人把它称为混合色(key color)。在图像产品生产中，也往往把数字电视图像和计算机生产 的图像混合在一起，这种技术称为视图混合(video keying)技术，它也采用α通道。 5.3.3 真彩色、伪彩色与直接色 搞清真彩色、伪彩色与直接色的含义，对于编写图像显示程序、理解图像文件的存储格 式有直接的指导意义，也不会对出现诸如这样的现象感到困惑：本来是用真彩色表示的图像， 但在VGA显示器上显示的图像颜色却不是原来图像的颜色。 1. 真彩色(true color) 真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色 分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。例如用RGB 5∶5∶5表示 的彩色图像，R，G，B各用5位，用R，G，B分量大小的值直接确定三个基色的强度，这样得 到的彩色是真实的原图彩色。 如果用RGB 8:8:8方式表示一幅彩色图像，就是R，G，B都用8位来表示，每个基色分量 占一个字节，共3个字节，每个像素的颜色就是由这3个字节中的数值直接决定，可生成的颜 色数就是2 24 ＝16 777 216种。用3个字节表示的真彩色图像所需要的存储空间很大，而人的 眼睛是很难分辨出这么多种颜色的，因此在许多场合往往用RGB 5:5:5来表示，每个彩色分 量占5个位，再加1位显示属性控制位共2个字节，生成的真颜色数目为2 15 = 32K。 在许多场合，真彩色图通常是指RGB 8:8:8，即图像的颜色数等于2 24，也常称为全彩色 (full color)图像。但在显示器上显示的颜色就不一定是真彩色，要得到真彩色图像需要有 真彩色显示适配器，目前在PC上用的VGA适配器是很难得到真彩色图像的。 2. 伪彩色(pseudo color) 伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像 素值当作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像 时使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值产生的彩色称为伪彩色。 彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口地址也称为索引号，如图图6-08(c)所 示。例如256种颜色的查找表，0号索引对应黑色，... ，255号索引对应白色。彩色图像本 身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系，这个关系可以使用Windows 95/98定 义的变换关系，也可以使用你自己定义的变换关系。使用查找得到的数值显示的彩色是真的， 但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色
第5章彩色数字图像基础 3.直接色( direct color) 每个像素值分成R,G,B分量,每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相 应的彩色变换表找出基色强度,用变换后得到的R,G,B强度值产生的彩色称为直接色。它 的特点是对每个基色进行变换。 用这种系统产生颜色与真彩色系统相比,相同之处是都采用R,G,B分量决定基色强度, 不同之处是前者的基色强度直接用R,G,B决定,而后者的基色强度由R,G,B经变换后决定 因而这两种系统产生的颜色就有差别。试验结果表明,使用直接色在显示器上显示的彩色图 像看起来真实、很自然。 这种系统与伪彩色系统相比,相同之处是都采用查找表,不同之处是前者对R,G,B分 量分别进行变换,后者是把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换 5.4图像的种类 5.4.1矢量图与点位图 在计算机中,表达图像和计算机生成的图形图像有两种常用的方法:一种叫做是矢量图 ( vector based image)法,另一种叫点位图( bit mapped image)法。虽然这两种生成图的方 法不同,但在显示器上显示的结果几乎没有什么差别。 矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图,如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等 这种方法实际上是数学方法来描述一幅图,然后变成许多的数学表达式,再编程,用语言来 表达。在计算显示图时,也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软件通常称为绘图 程序( draw programs) 矢量图有许多优点。例如,当需要管理每一小块图像时,矢量图法非常有效;目标图像 的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变(如线条变宽变细、颜色的改变)也很容易做到 相同的或类似的图可以把它们当作图的构造块,并把它们存到图库中,这样不仅可以加速画 的生成,而且可以减小矢量图文件的大小 然而,当图变得很复杂时,计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令。此外,对于 幅复杂的彩色照片(例如一幅真实世界的彩照),恐怕就很难用数学来描述,因而就不用矢量 法表示,而是采用点位图法表示 点位图法与矢量图法很不相同。其实,点位图已经在前面几节作了详细介绍,它是把 幅彩色图分成许多的像素,每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。 因此一幅图由许多描述每个像素的数据组成,这些数据通常称为图像数据,而这些数据作为 个文件来存储,这种文件又称为图像文件。如要画点位图,或者编辑点位图,则用类似于 绘制矢量图的软件工具,这种软件称为画图程序( paint programs) 点位图的获取通常用扫描仪,以及摄像机、录相机、激光视盘与视频信号数字化卡一类 设备,通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据 介绍的图像分辨率和像素深度。分辨率越高,就是组成一幅图的像素越多,则图像文件越大 像素深度越深,就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多,图像文件就越大。而矢量图文 件的大小则主要取决图的复杂程度 矢量图与点位图相比,显示点位图文件比显示矢量图文件要快:矢量图侧重于“绘制”、 去创造,而点位图偏重于“获取”、去“复制”:矢量图和点位图之间可以用软件进行转换, 由矢量图转换成点位图采用光栅化( rasterizing)技术,这种转换也相对容易;由点位图转 换成矢量图用跟踪( tracing)技术,这种技术在理论上说是容易,但在实际中很难实现,对 复杂的彩色图像尤其如此 5.4.2灰度图与彩色图 灰度图(gray- scale image)按照灰度等级的数目来划分。只有黑白两种颜色的图像称为 单色图像( monochrome image),如图5-05所示的标准图像。图中的每个像素的像素值用1位 存储,它的值只有“0”或者“1”,一幅640×480的单色图像需要占据37.5KB的存储空间
第5章 彩色数字图像基础 8 3. 直接色(direct color) 每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相 应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。它 的特点是对每个基色进行变换。 用这种系统产生颜色与真彩色系统相比，相同之处是都采用R，G，B分量决定基色强度， 不同之处是前者的基色强度直接用R，G，B决定，而后者的基色强度由R，G，B经变换后决定。 因而这两种系统产生的颜色就有差别。试验结果表明，使用直接色在显示器上显示的彩色图 像看起来真实、很自然。 这种系统与伪彩色系统相比，相同之处是都采用查找表，不同之处是前者对R，G，B分 量分别进行变换，后者是把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换。 5.4 图像的种类 5.4.1 矢量图与点位图 在计算机中，表达图像和计算机生成的图形图像有两种常用的方法：一种叫做是矢量图 (vector based image)法，另一种叫点位图(bit mapped image)法。虽然这两种生成图的方 法不同，但在显示器上显示的结果几乎没有什么差别。 矢量图是用一系列计算机指令来表示一幅图，如画点、画线、画曲线、画圆、画矩形等。 这种方法实际上是数学方法来描述一幅图，然后变成许多的数学表达式，再编程，用语言来 表达。在计算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软件通常称为绘图 程序(draw programs)。 矢量图有许多优点。例如，当需要管理每一小块图像时，矢量图法非常有效；目标图像 的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变(如线条变宽变细、颜色的改变)也很容易做到； 相同的或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样不仅可以加速画 的生成，而且可以减小矢量图文件的大小。 然而，当图变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令。此外，对于一 幅复杂的彩色照片(例如一幅真实世界的彩照)，恐怕就很难用数学来描述，因而就不用矢量 法表示，而是采用点位图法表示。 点位图法与矢量图法很不相同。其实，点位图已经在前面几节作了详细介绍，它是把一 幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。 因此一幅图由许多描述每个像素的数据组成，这些数据通常称为图像数据，而这些数据作为 一个文件来存储，这种文件又称为图像文件。如要画点位图，或者编辑点位图，则用类似于 绘制矢量图的软件工具，这种软件称为画图程序(paint programs)。 点位图的获取通常用扫描仪，以及摄像机、录相机、激光视盘与视频信号数字化卡一类 设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成数字图像数据。 点位图文件占据的存储器空间比较大。影响点位图文件大小的因素主要有两个：即前面 介绍的图像分辨率和像素深度。分辨率越高，就是组成一幅图的像素越多，则图像文件越大； 像素深度越深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大。而矢量图文 件的大小则主要取决图的复杂程度。 矢量图与点位图相比，显示点位图文件比显示矢量图文件要快；矢量图侧重于“绘制”、 去创造，而点位图偏重于“获取”、去“复制”；矢量图和点位图之间可以用软件进行转换， 由矢量图转换成点位图采用光栅化(rasterizing)技术，这种转换也相对容易；由点位图转 换成矢量图用跟踪(tracing)技术，这种技术在理论上说是容易，但在实际中很难实现，对 复杂的彩色图像尤其如此。 5.4.2 灰度图与彩色图 灰度图(gray-scale image)按照灰度等级的数目来划分。只有黑白两种颜色的图像称为 单色图像(monochrome image)，如图5-05所示的标准图像。图中的每个像素的像素值用1位 存储，它的值只有“0”或者“1”，一幅640×480的单色图像需要占据37.5 KB的存储空间